JP2007033932A - 投射装置及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的少ない部品点数の装置構成による立体画像の表示、またはより高画質な立体画像の表示が可能な投射装置及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの光が空間光変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂにより変調され、投射光学系１９によりスクリーンに投射して画像を表示する投射装置１であって、空間光変調部１３が１次元型空間光変調部とされ、この１次元型空間光変調部において変調された光を走査照射する走査光学系１８の出射側に、少なくとも放物面反射部３１と、レンズアレイ３２とを設ける構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に立体画像を表示することが可能な投射装置及びこれを用いた画像表示装置に関する。

従来、立体画像を表示する技術として種々の方法が提案されている。最も一般的なものとしては、立体視用の眼鏡を用いるものがある。これは、両眼の輻輳角（両眼視差）を利用して、右眼用の画像と左眼用の画像とを眼鏡によって分けて表示して立体視感を得るものである。
しかしながらこの場合、立体視により遠近感をもって見られる像と、眼の焦点位置であるスクリーン面とがずれているので、違和感が生じるとか、または長時間見ていると眼が疲労するなどの欠点がある。

これに対し、光源からの光を変調して投影する投影装置を複数用いて、表示面の視野角内において、立体画像に対応する光を変調して出射する構成とし、この表示面において立体的な画像を表示する３次元（立体）画像生成方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

上記特許文献１に開示の方法による３次元画像生成方法の原理について、図７Ａ及びＢを参照して説明する。
図７Ａ及びＢに、通常の２次元画像を表示する場合と、３次元画像を表示する場合の光線の向きと強度をそれぞれ矢印で模式的に示す。
図７Ａに示すように、通常の２次元の画像を表示するいわゆるリアプロジェクター等の表示装置では、スクリーン２０の表面が拡散方向に異方性を持たない拡散面になっており、スクリーン２０の後方から１台の投影装置の画像を投影して画像を表示する。
これに対し、３次元画像を表示するには、図７Ｂに示すように、例えばスクリーン２０の後方の各位置Ａ、Ｂ及びＣから出射される像光が、スクリーン２０の各画素を通過する角度、特に水平方向の角度を保持して出射される構成とする。このようにすることにより、観察者の左右の瞳８０に３次元画像に対応する視差情報が入ることとなり、立体的な画像が認識される。

特表２０００−５０９５９１号公報

ところで、上述の特許文献１に記載の３次元画像生成方法を実現するには、上述したように、人間の左右の眼に対して、３次元画像に対応する視差情報を入れることが必要である。このため、図８にその一例の概略構成図を示すように、スクリーン２０の後方に多数の投射装置１０が配置される。そして、特にスクリーン２０は、その拡散特性として、図中矢印ｙで示す垂直方向には比較的広く拡散させ、矢印ｘで示す水平方向にはほとんど拡散しないような拡散角特性を有するものとされる。
このような構成とすることで、上述したような各画素を通過する光の水平方向の出射角度を保持し、左右の眼に対して別々の画像情報を入力することができるようになる。

このとき、左右の眼には、１台の投射装置から表示される光がスクリーンの拡散角異方性により垂直方向にしか拡散されないため、縦ラインの表示光として見える。隣の表示ラインはその隣の投射装置からの表示光が眼にはいるため、複数台の投射装置からそれぞれ必要な情報が眼に入るようになっている。

このように、立体画像を表示する画像表示装置においては、複数の投射装置と水平方向の拡散角を制限するスクリーンとが用いられる。この場合、より高画質な立体表示を再現させるためには、いろいろな方向にできるだけ多くの画像データを投射する必要があり、１００以上程度の多数の投射装置を用いる必要がある。
したがって、多数の投射装置を配置するために装置構成が大規模で複雑になるとか、または部品点数が増えることでコスト高を招来するという問題があり、実用化には至らないのが現状である。

以上の問題に鑑みて、本発明は、比較的少ない部品点数の装置構成による立体画像の表示、またはより高画質な立体画像の表示が可能な投射装置及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による投射装置は、光源からの光が空間光変調部により変調され、投射光学系によりスクリーンに投射して画像を表示する投射装置であって、空間光変調部が１次元型空間光変調部とされ、この１次元型空間光変調部において変調された光を走査照射する走査光学系の出射側に、少なくとも放物面反射部と、レンズアレイとが設けられて成る構成とする。
また、本発明は、上述の投射装置において、１次元型空間光変調部において変調され、放物面反射部及びレンズアレイによって垂直方向に分割された光が、スクリーンの垂直方向に延びる各画素に向かって投射され、スクリーンの各画素から異なる視野方向に向けて立体画像に対応する光が出射されて立体画像の表示がなされる構成とする。

更に、本発明による画像表示装置は、上述の本発明の投射装置を用いる構成とする。すなわち、光源から出射された光を、空間光変調部により変調して、投射光学系によりスクリーンに投射して画像を表示する画像表示装置であって、空間光変調部を１次元型空間光変調部として、この１次元型空間光変調部において変調された光を走査照射する走査光学系の出射側に、少なくとも放物面反射部と、レンズアレイとを設ける構成とする。

上述したように、本発明においては、１次元型空間光変調部を用いて変調された光を走査光学系で走査照射し、投射光学系によりスクリーンに投影する構成とし、特に、走査光学系の出射側、例えば走査光学系と投射光学系との間に、放物面反射部及びレンズアレイを配置することによって、走査光学系からの垂直方向に延びる表示光を水平方向に分散し、これをスクリーンに投射することによって、立体画像の表示を可能とするものである。
すなわちこの場合、１次元型空間光変調部により変調された画像表示光は、スクリーンの垂直方向に延びる縦ライン状の表示光であり、画素毎の表示光を、スクリーンの水平方向の異なる視野方向に向かって立体画像に対応する光に変換して上述の放物面反射部及びレンズアレイにより分散して出射することにより、立体画像を表示することができる。

したがって、このような本発明によれば、１次元型空間光変調部により変調した光を走査照射することによって、立体画像表示に必要な複数の投射装置が並置されている状態を、１台の投射装置により作り出すことができる。これにより、部品点数の比較的少ない構成をもって立体画像を表示することが可能であり、また、従来と同等の数の投射装置を用いる場合は、より高画質な立体表示を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明の画像表示装置及び画像表示方法によれば、比較的少ない部品点数をもって立体画像の表示が可能となる。
もしくは、本発明の画像表示装置及び画像表示方法によれば、比較的高画質の立体表示が可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１に、本発明による投射装置１及びこれを用いた画像表示装置１００の一例の概略構成を示す。図１において、１０Ｒ、１０Ｇ及び１０Ｂはそれぞれ赤、緑及び青色レーザ等の光源であり、ここから出射されたレーザビームの出射側に、それぞれ集光レンズ１２Ｒ、１２Ｇ及び１２Ｂを介して１次元型空間光変調部１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂが配置される。
各空間光変調部１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂから出射される光の光路上に、例えばハーフミラー１４、１５が配置されて１本の光束に集束され、更にその光路上に空間フィルター１６及びスキャナー１８が配置される。スキャナー１８の出射側に、これと対向してレンズアレイ３１及び放物面反射部３２が配置される。放物面反射部３２による反射光路上に、投影レンズ等の投影光学系１９が配置されて投射装置１が構成される。

この投射装置１の１次元型空間光変調部としては、例えば米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したＧＬＶ（Grating Light Valve、例えば米国特許第３１６４８２４号及び米国特許第５９４１５７９号参照）や、またはＧｘＬ（ジーバイエル、ソニー（株）登録商標）などを用いることができる。
ＧＬＶは、光の回折を利用した位相反射型の回折格子より構成され、例えば基板上に、３本ずつの可動リボンより成る第１面と固定リボンより成る第２面とが交互に配置されるリボン素子型構成が提案されている。

このようなリボン素子型構成のＧＬＶにおいて、基板側の共通電極と上述の第１面との間に適切な電圧を印加することによって、この第１面が基板側に変形する。この変形量は、電圧値に対応しており、入射光に対して電圧値を制御することによって回折光量を変調して回折することができる。
またこのＧＬＶは、第１面即ち可動リボンの高速なスイッチング動作が可能であるという利点を有する。更にまた広い帯域幅の表示、すなわち可動リボンの動作距離に対応して回折光の反射率を変化させ、光量の変化の高い変調度が実現できることから、低い動作電圧で且つ小型であり、高い解像度の画像表示装置を提供することが可能である。
このＧＬＶを用いた１次元型空間光変調部は、例えば３本ずつの固定リボンと可動リボンとが交互に配置されたＧＬＶ素子が、リボンの幅方向に画素数分、例えば１０００個以上程度配置されて構成される。

このような空間光変調部を用いた図１の画像表示装置１００において、光源１０Ｒ、１０Ｇ及び１０Ｂから出射された赤、緑及び青色光は、円筒レンズ等の集光レンズ１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂを用いてその表面にリボン長方向には所定のスポットサイズに集光され、リボン幅方向には所定の幅にコリメートされたコリメート光を照射し、各ＧＬＶ素子へ画像信号に対応した電圧を印加することにより、空間光変調部１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂから回折される回折光は、１次元状の所定の画素サイズ（長さ及び幅）を有し、画像信号に対応して変調されたビームとなる。これに対し、空間フィルター１６を例えばフーリエ面に配置することによって、像はこの１次元の延長方向と直交する方向に延在する１次元状となり、図１の紙面と直交する方向に延在する縦ラインの像を表示する光となる。この表示光を、ガルバノミラー等の走査光学系１８により矢印ｇで示すようにレンズアレイ３１及び放物面反射部３２に走査し、放物面反射部３２から反射された光をスクリーン２０に投射することにより、２次元画像が表示される。

図２にこのレンズアレイ３１及び放物面反射部３２の概略構成図及び光線軌跡の一例を示す。この放物面反射部３２は、等角速度で走査された帯状レーザビームを等幅間隔の平行な帯状ビームに変換する。この等幅間隔の帯状レーザビームは、図２中矢印ｖで示す垂直方向に延長する画素表示光であり、逆カマボコ状シリンドリカルレンズアレイ等より成るレンズアレイ３２に入射される。

ここで等幅間隔の平行な帯状レーザビームはこのレンズアレイ３２により矢印ｈで示す水平方向にのみ拡大されて、レンズアレイ３２の各レンズ中心から放射状に広がりをもつ複数の帯状ビームとなる。これは、この放物面反射部３１及びレンズアレイ３２より成る光学ユニットを配置しない状態と比べると、あたかも複数の投射装置１からガルバノミラー等のスキャナー１８によって走査されるのと同じ状態となる。つまりこの例では、見かけ上５台分の投射装置からレーザビームが走査されていることと等価となる。

ここで、５つのレンズをもつレンズアレイ３２における走査角速度は、レンズの形状により異なるが、必ずしも等角速度である必要はなく、映像データの切り替えタイミングを走査速度と同期させることで等角速度の場合と同じ効果を得ることができる。このレンズアレイ３２の後に投射レンズ等の投射光学系１９を配置することで、この場合５台分に相当する投射装置による投射表示を行うことができる。
なお、レンズアレイ３２のレンズの数を変化させることによって、５台に限ることなく所望の台数分に相当する投射装置による表示が可能である。

次に、前述の図７及び図８において説明した立体表示の原理を利用して、本発明の投射装置を用いて立体画像表示が可能な画像表示装置を構成した一実施形態例について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、本発明の画像表示装置１００の一実施形態例の概略平面構成図である。この例においては、上述の図１に示すような本発明構成の投射装置１が多数用いられ、投射光Ｌｐの出射面をほぼ一平面に揃えて並置配列させて構成される。投射装置１には、図示しないが光源と１次元型空間光変調部とが設けられ、上述したように放物面反射部３１及びレンズアレイ３２を設けることによって、複数台分の投射装置に対応する画像表示光を投射することができ。そしてその投射光出射面に対向してスクリーン２０が配置される。
この例においては、スクリーン２０として、垂直方向に拡散角が大きく、水平方向に拡散角が小さい２枚の拡散板等の拡散部２１及び２２によりスクリーン２０を構成した例を示す。

このような構成において、立体的な画像を表示する方法について説明する。
まず、例えば撮影装置によって、予め表示する立体像を複数方向から撮影して、立体画像表示に必要な画像情報ｎ枚（ｎは複数、例えば１００以上）分を用意し、図示しないが記憶装置などに記憶しておく。
図４に、この複数の画像情報を利用した画像表示態様を模式的に示す。図４において、図３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。例えば投射装置１のうち１つの投射装置１ｍから、矢印ｍ１〜ｍ５で示すように、スクリーン２０に向かって投射光が投射される。なお、投射装置１とスクリーン２０とが対向する空間の側面にミラー３０を配置することによって、ミラー３０により反射された光も矢印ｍ１´で示すようにスクリーン２０に入射され、スクリーン２０における観察者からの視野角が広がる効果が得られる。

これらのｍ１´、ｍ２〜ｍ５で示す光がスクリーン２０を通過する角度は、このスクリーン２０を水平方向には微小な拡散角のみを有する構成とすることにより、ほぼ保持される。ここで、これらの矢印ｍ１´、ｍ２〜ｍ５で示す光は、予め用意しておいた立体画像を構成する複数枚の画像情報Ｐ１〜Ｐｎのうち、縦方向に分割された一部の画像情報ｐ２ｍ〜ｐｎｍを表示する。
この場合、スクリーン２０を、その垂直方向には大きい拡散角を有し、水平方向には微小な拡散角度を有する構成とすることによって、１つの投射装置の情報は垂直方向にしか拡散されないため、縦ラインの表示として見える。
すなわち、矢印ｍ１´、ｍ２〜ｍ５で示す光が通過するスクリーン２０上の位置を単位画素とすると、垂直方向に延びる各単位画素から観察者の瞳にむけて、立体画像を構成する縦ラインの画像情報ｐ２ｍ〜ｐｎｍが出射されることとなる。

ここで、スクリーン２０の隣の単位画素の表示ラインはその隣の投射装置からの表示情報が眼に入る。したがって、複数台の投射装置からそれぞれ必要な情報が眼に入るようにすることによって、左右の眼で観察されるスクリーン２０上の画像は、各投射装置による縦ライン表示の合成画像として見える。
そしてこの場合、スクリーン２０が水平方向において例えば１°未満程度の微小な拡散角を有する構成とすると、各投射装置が表示するこれらの縦ラインの間に隙間が生じることなく、良好な立体画像表示を行うことができる。

そして、本発明の画像表示装置においては、１台の投射装置から所望の台数分に相当する画像の表示が可能であることから、従来はこのような立体画像表示を行うにあたり、例えば１００台以上の投射装置が必要であったのに対し、本発明によれば、例えば数台分の投射装置に対応する画像の表示が可能であることから、投射装置の台数を２０台程度、或いはそれ以下に抑えても、従来と同等の立体画像表示が可能となる。
または、投射装置の台数を変えないか、半分程度として表示する場合は、従来に比して高画質の立体画像表示も可能である。

ところで、上述したように、図４に示す画像表示装置において、左右の眼に見えるスクリーン２０上の画像は各投射装置１による縦ライン表示の合成画像として見えるが、スクリーン２０の拡散板の水平方向の拡散角がほとんど０度の場合は、各投射装置１が表示する縦ラインの間に隙間が生じるため、縦ストライプが目立ってしまう。
このため、水平方向の拡散角を上述したように例えば１°未満程度もたせることで縦ライン間の隙間を埋めることができる。

しかしながら、水平方向の拡散角をどの程度広げればよいかは、投射装置を配置するピッチや周辺光量比、また上述のレンズアレイ３２により分散する角度などの関係で異なってくるため一概に決められず、その最適値は装置全体の構成によって異なることとなる。したがって、画像表示装置の構成毎に最適な拡散角特性を有する拡散板を用意する必要がある。
また、このように、水平方向の拡散角として１度〜数度程度が最適となる装置構成の場合、１度未満の微小な角度、例えば０．５度以下程度の違いでも画像の見え方が著しく異なってしまうので、拡散板の水平方向の微小な拡散角を精度良く形成する必要がある。

このような拡散板としては、特定の拡散特性を持つ１枚の拡散板を用いることが考えられる。例えば垂直方向の拡散角が比較的広く、水平方向の拡散角が極めて狭いというような拡散角異方性を有する拡散板は、狭い拡散角の制御が難しく、１度単位の細かい精度は生産時の条件で変わってしまい、コストの増加を招くという問題がある。
また、画像表示装置の条件変更により、別の拡散角の拡散板が必要になった場合は、マスター基板やこれを製造するためのマスクを作り直す必要があり、初期コストがかかるため、やはりコスト高を招来する原因となる。

これに対し、上述したように、スクリーン２０を２枚の拡散板等より成る拡散部２１及び２２により構成し、これらの拡散部２１及び２２を、その拡散方向をずらして配置する構成とすることで、このような微小な角度の調整が容易となる。
図５は、垂直方向及び水平方向の拡散角が５０％輝度低下で定義してそれぞれ約４０°、約０．３°である拡散角異方性を有する拡散板を２枚用いて、その例えば垂直方向に対して相対角度を２°として回転方向にずらした場合の拡散特性を示す。
図５においては、入射方向を垂直入射０°から５°ごと角度を増加させ、実線ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｃ５、ｃ６はそれぞれ入射角度０°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°のときの水平方向の出射相対輝度を示し、拡散角は約１°であることがわかる。図示しないが、垂直方向の拡散角は各入射角度に対して約４０°である。

また図６は、同様の拡散角異方性を有する拡散板を２枚組み合わせ、その相対角度θを約４°として回転方向にずらして構成した場合の水平方向の拡散特性を示す。図６において実線ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４はそれぞれ入射角度０°、１０°、２０°、３０°のときの出射相対輝度を示す。この例では、水平方向の拡散角は約２°を示し、拡散角の狭い２枚の拡散板を回転方向にずらして組み合わせることによって、元の拡散角より広い拡散角を有する拡散角異方性スクリーンを得ることができることがわかる。
このようにして、２枚の拡散部を回転方向にずらしたときの相対角度を大きくしていくと、最大で垂直拡散角と同じ約４０°の任意の拡散角を得ることができる。

以上の結果から、同一の拡散角異方性を有する拡散シート等の拡散部を用いて所望の拡散角異方性を有するスクリーンを提供することができることがわかる。このため、本発明の画像表示装置１００に用いるスクリーン２０として、図３に示すように、拡散部を２枚有する構成とすることにより、例えば同一の散乱パターンを有するマスクを用いて転写等により製造した比較的低コストの拡散シート等を利用して、スクリーンとして組み込む画像表示装置に合わせて所望の拡散特性を有するスクリーンを得ることができる。したがって、コスト高を招来することなく、容易に立体画像表示に最適なスクリーンを有する画像表示装置を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、立体画像表示に必要な複数台の投射装置に相当する表示を１台の投射装置で行うことができる。この結果、画像表示装置における投射装置の数を低減化することが可能となる。
したがって、この場合は、立体画像表示が可能な画像表示装置の構成部品を減らすことができるので、小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、投射装置の数を変化させないか、もしくはそれほど減少させない場合は、より高画質な立体表示を得ることができる。

なお、本発明による投射装置及び画像表示装置は、上述の実施形態例に限定されるものではない。
例えば、上述の図３及び図４において説明した画像表示装置の例においては、透過型スクリーンを用いる実施形態例であるが、その他スクリーンとして回帰反射型のスクリーンを用いる場合は、フロントプロジェクタ型の画像表示装置を構成することも可能であり、その他光源や空間光変調部の種類、光学部品の配置構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

本発明による投射装置を用いた画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明による投射装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 本発明による画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明による画像表示装置の一実施形態例の画像表示態様の説明図である。 スクリーンの一例の拡散部の拡散特性を示す図である。 スクリーンの一例の拡散部の拡散特性を示す図である。 Ａは２次元画像表示の説明図である。Ｂは３次元画像表示の説明図である。 ３次元画像生成方法の一例の説明図である。

符号の説明

１．投射装置、１０Ｒ．光源、１０Ｇ．光源、１０Ｂ．光源、１３Ｒ．空間光変調部、１３Ｇ．空間光変調部、１３Ｂ．空間光変調部、１４．ハーフミラー、１５．ハーフミラー、１６．空間フィルター、１８．走査光学系、１９．投射光学系、２０．スクリーン、２１．拡散部、２２．拡散部、３０．ミラー、３１．レンズアレイ、３２．放物面反射部

Claims (7)

1. 光源から出射された光を、空間光変調部により変調して、投射光学系によりスクリーンに投射して画像を表示する投射装置であって、
   前記空間光変調部が１次元型空間光変調部とされ、
   前記１次元型空間光変調部において変調された光を走査照射する走査光学系の出射側に、少なくとも放物面反射部と、レンズアレイとが設けられて成る
   ことを特徴とする投射装置。
2. 前記１次元型空間光変調部において変調され、前記放物面反射部及びレンズアレイによって垂直方向に分割された光が、前記スクリーンの垂直方向に延びる各画素に向かって投射され、
   前記スクリーンの各画素から異なる視野方向に向けて立体画像に対応する光を出射して立体画像の表示がなされる
   ことを特徴とする請求項１記載の投射装置。
3. 光源から出射された光が、空間光変調部により変調され、投射光学系によりスクリーンに投射して画像を表示する画像表示装置であって、
   前記空間光変調部が１次元型空間光変調部とされ、
   前記１次元型空間光変調部において変調された光を走査照射する走査光学系の出射側に、少なくとも放物面反射部と、レンズアレイとが設けられて成る
   ことを特徴とする画像表示装置。
4. 前記１次元型空間光変調部において変調され、前記放物面反射部及びレンズアレイによって垂直方向に分割された光が、前記スクリーンの垂直方向に延びる各画素に向かって投射され、
   前記スクリーンの各画素から異なる視野方向に向けて立体画像に対応する光が出射されて立体画像の表示がなされる
   ことを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
5. 前記スクリーンが、垂直方向において比較的大きい拡散角を有し、水平方向において微小な拡散角を有する拡散角異方性を有するスクリーンとされた
   ことを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
6. 前記スクリーンが、少なくとも２枚の拡散角異方性を有する拡散部を備えて成る
   ことを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
7. 前記スクリーンが、透過型スクリーンである
   ことを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
   
   

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